1、7 7 长距离顶管施工技术施工技术长距离顶管施工技术施工技术 概概 述述 中继环接力顶进中继环接力顶进顶管基本设备与工作状况顶管基本设备与工作状况本章内容本章内容触变泥浆减阻触变泥浆减阻 7.1 7.1 概概 述述 长距离顶管的施工程序是：先在管道的一端挖掘工作坑长距离顶管的施工程序是：先在管道的一端挖掘工作坑（井），完成后在其内安装顶进设备将管道顶入土层，边顶（井），完成后在其内安装顶进设备将管道顶入土层，边顶进边挖土，将管段逐节顶入土层内，直到顶至设计长度为止。进边挖土，将管段逐节顶入土层内，直到顶至设计长度为止。在顶进过程中，常采用润滑剂减阻和中继接力技术。在顶进过程中，常采用润滑剂减阻
2、和中继接力技术。 随着科学技术的发展，随着科学技术的发展，触变泥浆润滑技术和中继接力技术触变泥浆润滑技术和中继接力技术的应用，在长距离顶管方法已取得了良好的效果。国外某一的应用，在长距离顶管方法已取得了良好的效果。国外某一顶管工程，采用触变泥浆减阻和顶管工程，采用触变泥浆减阻和1616个中继接力顶进，一次顶个中继接力顶进，一次顶进长度达进长度达1200m1200m。美国。美国19801980年曾创造年曾创造9.5h9.5h顶进顶进49m49m的纪录。的纪录。 我国在我国在19811981年年4 4月完成的浙江镇海穿越甬江工程，月完成的浙江镇海穿越甬江工程，2.6km2.6km的管道采用五只中继
3、环从甬江的一岸单向顶进的管道采用五只中继环从甬江的一岸单向顶进58lm58lm，终点偏，终点偏位上下左右均小位上下左右均小10mm10mm。 1986 1986年，上海市基础工程公司，用四根长度在年，上海市基础工程公司，用四根长度在600m600m以上以上的钢质管道先后穿越黄浦江，其中黄浦江上游引水工程关键之的钢质管道先后穿越黄浦江，其中黄浦江上游引水工程关键之一的南市水场输水管道，单向一次顶进一的南市水场输水管道，单向一次顶进l120ml120m。在此超千米顶。在此超千米顶管施工中，成功地将管施工中，成功地将计算机、激光、陀螺仪计算机、激光、陀螺仪等先进技术有机地等先进技术有机地结合，结合，
4、用计算机控制中继环、压浆系统和激光导向，计算机指用计算机控制中继环、压浆系统和激光导向，计算机指导纠偏施工导纠偏施工，顶进轴线精度达到左右，顶进轴线精度达到左右150mm150mm，高低，高低50mm50mm。顶进施工还有效地控制了地面沉降，成功地穿越了地。顶进施工还有效地控制了地面沉降，成功地穿越了地面建筑区，节省一只中间井，避免面建筑区，节省一只中间井，避免1.21.2万万mm2 2建筑物的拆迁，节建筑物的拆迁，节省投资省投资560560万元，创一次顶进国内新纪录，达到国际先进水平。万元，创一次顶进国内新纪录，达到国际先进水平。7.1.17.1.1长距离顶管的主要技术关键长距离顶管的主要技
5、术关键 1 1顶力问题。顶力问题。顶管的顶力是随着顶进长度的增加需不断顶管的顶力是随着顶进长度的增加需不断增大，但是又受到管道强度的限制，不能无限地增加，因此增大，但是又受到管道强度的限制，不能无限地增加，因此用普通顶管法只在管尾推进的方法。目前，主要有两种方法，用普通顶管法只在管尾推进的方法。目前，主要有两种方法，即采用润滑剂减阻和中继接力技术。即采用润滑剂减阻和中继接力技术。 2 2方向控制。方向控制。管段能否按设计轴线顶进，这是长距离顶管段能否按设计轴线顶进，这是长距离顶管成败的关键技术。上海基础工程公司顶管系统中，采用三管成败的关键技术。上海基础工程公司顶管系统中，采用三段双铰型工具管
6、来完成。段双铰型工具管来完成。 3 3制止正面坍方制止正面坍方 塌方危及地面构筑物，使管道方向失去控制，导致管道受塌方危及地面构筑物，使管道方向失去控制，导致管道受力情况恶化，给施工带来许多困难。在深层顶管中，制止塌力情况恶化，给施工带来许多困难。在深层顶管中，制止塌方实质上是制服地下水的问题。方实质上是制服地下水的问题。7.1.2 7.1.2 长距离顶管的主要技术措施长距离顶管的主要技术措施1 1穿穿 墙墙 从打开穿墙管闷扳，将工具管顶出井外到安装好穿墙止水，从打开穿墙管闷扳，将工具管顶出井外到安装好穿墙止水，这一过程通称穿墙。穿墙是顶管施工中一道主要工序，因为这一过程通称穿墙。穿墙是顶管施
7、工中一道主要工序，因为穿墙后工具管方向的准确程度将会给以后管道的方向控制和穿墙后工具管方向的准确程度将会给以后管道的方向控制和管道拼接工作带来影响。穿墙时应注意，在墙管内事先填满管道拼接工作带来影响。穿墙时应注意，在墙管内事先填满经过夯实的黄粘土，以免地下水和土大量涌入工作井，打开经过夯实的黄粘土，以免地下水和土大量涌入工作井，打开穿墙管闷板，应立刻将工具管顶进。穿墙管闷板，应立刻将工具管顶进。 2 2纠偏与导向纠偏与导向 顶管必须沿设计轴向顶进，应控制顶进中的方向和高程，若顶管必须沿设计轴向顶进，应控制顶进中的方向和高程，若发生偏差，必须纠偏。以往纠偏工作是当管道头部偏离了轴发生偏差，必须纠
8、偏。以往纠偏工作是当管道头部偏离了轴线后才进行；但这时管道已经产生了偏差，因此管轴线难免线后才进行；但这时管道已经产生了偏差，因此管轴线难免有较大的弯曲。有较大的弯曲。管道偏离轴线，其一个主要原因是顶力不平管道偏离轴线，其一个主要原因是顶力不平衡而致。衡而致。如果事先能消除不平衡外力，就能更好防止管道的如果事先能消除不平衡外力，就能更好防止管道的偏位。偏位。3 3局部气压局部气压 顶管在流砂层和流塑状态的土层中顶进，有时顶管在流砂层和流塑状态的土层中顶进，有时因正面挤压力因正面挤压力不足以阻止坍方，则易产生正面坍方，不足以阻止坍方，则易产生正面坍方，出泥量增加，造成地出泥量增加，造成地面沉裂。
9、管轴线弯曲，给纠偏带来因难，而且还会破坏泥浆面沉裂。管轴线弯曲，给纠偏带来因难，而且还会破坏泥浆减阻效果。为解决这类问题，常采用局部气压。局部气压的减阻效果。为解决这类问题，常采用局部气压。局部气压的大小视具体情况而定，一般土层以不坍方为标准。大小视具体情况而定，一般土层以不坍方为标准。4 4触变泥浆减阻触变泥浆减阻 为减少长距离顶管中管壁四周摩阻力，在管壁外压注触变为减少长距离顶管中管壁四周摩阻力，在管壁外压注触变泥浆，形成一定厚度的泥浆套，使顶管在泥浆套中顶进，以泥浆，形成一定厚度的泥浆套，使顶管在泥浆套中顶进，以减少阻力。减少阻力。5 5中继间接力顶进中继间接力顶进 在长距离顶管中，只采
10、用触变泥浆减阻单一措施仍显不够，在长距离顶管中，只采用触变泥浆减阻单一措施仍显不够，还得采用中继间接力顶进，也就是在管道中间设置中继环，还得采用中继间接力顶进，也就是在管道中间设置中继环，分段克服摩擦阻力，从而解决顶力不足的问题。分段克服摩擦阻力，从而解决顶力不足的问题。7.2 7.2 顶管基本设备与工作状况顶管基本设备与工作状况 顶管施工系统的基本设备主要包括管段前端的工具管，后部顶管施工系统的基本设备主要包括管段前端的工具管，后部顶进设备以及贯穿前后的出泥与气压设备，此外还有通风、照顶进设备以及贯穿前后的出泥与气压设备，此外还有通风、照明等设施。明等设施。7.2.1 7.2.1 工具管及其
11、工作状况工具管及其工作状况 工具管是长距离顶管中的关键设备，它安装在管道前端，外工具管是长距离顶管中的关键设备，它安装在管道前端，外形与管道相似，其作用有定向、纠偏、防止坍方、出泥等。形与管道相似，其作用有定向、纠偏、防止坍方、出泥等。 三段双铰型工具管如图所示。三段双铰型工具管如图所示。 7.2.2 7.2.2 顶进设备顶进设备 顶进设备主要包括后座、主油缸、顶铁和导轨等。后座设置顶进设备主要包括后座、主油缸、顶铁和导轨等。后座设置在主油缸和反力墙之间，每只油缸配置一块，其作用是将油缸在主油缸和反力墙之间，每只油缸配置一块，其作用是将油缸的集中力分散传递给后墙。的集中力分散传递给后墙。 主油
12、缸主油缸是顶进动力，一般对称布置是顶进动力，一般对称布置4 46 6台，其中顶力和行台，其中顶力和行程可根据工程实际选定。程可根据工程实际选定。 顶铁顶铁主要是为了弥补油缸形成设置的，其厚度应小于油缸主要是为了弥补油缸形成设置的，其厚度应小于油缸形成。形成。 导轨导轨起顶进导向作用，在接管时又起管道吊放和拼焊平台起顶进导向作用，在接管时又起管道吊放和拼焊平台作用。作用。7.2.2 7.2.2 顶进设备顶进设备 顶近设备主要包括后座、主油缸、顶铁和导轨等，如图7.2所示。后座设置在主油缸与反力墙之间，每只油缸配置一块，其作用是将油缸的集中力分散传递给后墙。7.2.3 7.2.3 出泥设备出泥设备
13、 被水枪破碎的泥浆，通过吸泥口、吸泥管等被吸泥机排放到被水枪破碎的泥浆，通过吸泥口、吸泥管等被吸泥机排放到管外。管外。 水力吸泥机结构简单，性能可靠，能连续运输，出泥效率高。水力吸泥机结构简单，性能可靠，能连续运输，出泥效率高。为了克服一般吸泥机中，泥水挟带着泥砂、块石等通过水力吸为了克服一般吸泥机中，泥水挟带着泥砂、块石等通过水力吸泥的弯道，撞击管壁、扩散管磨损严重、摩阻大，能量损失多、泥的弯道，撞击管壁、扩散管磨损严重、摩阻大，能量损失多、效率较低等弊端，现常采用高压水走弯道，泥水混合体走直道效率较低等弊端，现常采用高压水走弯道，泥水混合体走直道的吸泥机，它效率高，扬程大。的吸泥机，它效率
14、高，扬程大。7.2.4 7.2.4 气压设备气压设备 在水下进行长距离顶管的工具管有时必须采用局部气压施工，在水下进行长距离顶管的工具管有时必须采用局部气压施工，而且时间较长，有时还需要在气压下排除故障，即所谓气压应而且时间较长，有时还需要在气压下排除故障，即所谓气压应急处理。上述两种情况对压缩空气的要求不同。急处理。上述两种情况对压缩空气的要求不同。局部气压要求局部气压要求气量大，允许气压波动且无净化要求。而气压应急处理，是指气量大，允许气压波动且无净化要求。而气压应急处理，是指在水力吸泥机停止运转的情况下需工人带压作业，压缩空气需在水力吸泥机停止运转的情况下需工人带压作业，压缩空气需要气压
15、稳定外，尚需要符合卫生条件。要气压稳定外，尚需要符合卫生条件。 三段双铰型工具管的压缩空气供气系统如图7.3所示。从贮气仓和减压阀出来的压缩空气分成两个分支，一支供气量大，供局部气压使用，另一支空气经过滤清，专供气压应急处理使用。 7.3 7.3 中继环接力顶进中继环接力顶进 长距离顶管的阻力主要包括长距离顶管的阻力主要包括管道的正面阻力和管道周边的管道的正面阻力和管道周边的摩阻力摩阻力。对某。对某类型的工具管，正面阻力在施工过程中变化类型的工具管，正面阻力在施工过程中变化不大，但不大，但侧阻力与顶进长度成正比增加侧阻力与顶进长度成正比增加。为了达到长距离顶。为了达到长距离顶进的目的，采用中继
16、环接力顶进是项有效的技术。进的目的，采用中继环接力顶进是项有效的技术。7.3.1 7.3.1 中继环接力顶进原理中继环接力顶进原理 中继环接力顶进是将长管段分成若干段，在段与段之间设中继环接力顶进是将长管段分成若干段，在段与段之间设置中继环（如图置中继环（如图7.47.4所示）。每一中继环均置于前后两管段所示）。每一中继环均置于前后两管段中间，中继环内若干中继油缸呈环状分布。当中继油缸工作中间，中继环内若干中继油缸呈环状分布。当中继油缸工作时，后面的管段成了后座，前面管段被推向前方。中继环按时，后面的管段成了后座，前面管段被推向前方。中继环按先后次序逐个启动，管道分段顶进，因此可减少阻力，达到
17、先后次序逐个启动，管道分段顶进，因此可减少阻力，达到长距离顶管的目的。图长距离顶管的目的。图7.57.5为顶进中设有中继环时，管段在为顶进中设有中继环时，管段在顶进过程中顶力的分布状态。顶进过程中顶力的分布状态。若全部管段分成三段，中间安装两个中继环，其顶进原理如下：若全部管段分成三段，中间安装两个中继环，其顶进原理如下： 1 1不启动和中继环，不启动和中继环，全部管段由后背的主压力千斤全部管段由后背的主压力千斤顶顶进，如图顶顶进，如图7.57.5（a a）所示。此时管段后背承受的顶力应该克）所示。此时管段后背承受的顶力应该克服阻力，该阻力由正面阻力和周围的摩阻力两部分组成服阻力，该阻力由正面
18、阻力和周围的摩阻力两部分组成 。 2 2当启动第中继环，而第中继环以后不动时，当启动第中继环，而第中继环以后不动时，顶力分顶力分析状态如图析状态如图7.57.5（b b）所示。当第中继环停止顶进，开动第）所示。当第中继环停止顶进，开动第中继环的千斤顶，此时在第二段顶进的同时，中继环千斤顶中继环的千斤顶，此时在第二段顶进的同时，中继环千斤顶油缸退程，顶力分布状态如图油缸退程，顶力分布状态如图7.57.5（c c）所示。当、中继环）所示。当、中继环停止顶进时，后背主压千斤顶顶进第三节管段，中继环的千停止顶进时，后背主压千斤顶顶进第三节管段，中继环的千斤顶的回程。顶力分布状态如图斤顶的回程。顶力分布
19、状态如图7.57.5（d d）所示。由此可见，采）所示。由此可见，采用中继接力技术后，管段顶进长度不再受后座顶力的限制，只用中继接力技术后，管段顶进长度不再受后座顶力的限制，只要增加中继环的数量，就能延长管段的顶进长度，中继接力是要增加中继环的数量，就能延长管段的顶进长度，中继接力是长距离顶管的必要的技术措施。长距离顶管的必要的技术措施。7.3.2 7.3.2 中继环的构造中继环的构造 中继环的构造形式因管体结构及工作面的状态不同各异。但基本上都由套管、千斤顶、缓冲垫、密封装置等部件组成。它必须具备足够的刚度、强度和顶力，伸缩时具有良好的动密封性能。图7.6是某钢管顶进用中继环的构造示意图。3
20、 3中继环的自动控制中继环的自动控制 中继环是按照设置在工具管控制室的指令启动或停止的，中继环是按照设置在工具管控制室的指令启动或停止的，并严格按照预定的程序工作。当接入管道的中继环数量超过并严格按照预定的程序工作。当接入管道的中继环数量超过三只时，从三只时，从1 1号环的第二循环开始，号环的第二循环开始，4 4号环可与号环可与1 1号环同时工号环同时工作，作，5 5号环可与号环可与2 2号环同时工作，依此类推。因此，只有前三号环同时工作，依此类推。因此，只有前三只中继环的工作周期占据实际顶进时间，其余中继环的工作只中继环的工作周期占据实际顶进时间，其余中继环的工作不再影响顶进速度。这一顶管中
21、的平行作业程序，为较长距不再影响顶进速度。这一顶管中的平行作业程序，为较长距离管道的中继环施工提高了工效。离管道的中继环施工提高了工效。7.4 7.4 触变泥浆减阻触变泥浆减阻 对于一定的土层和管径，其迎面阻力为一定值，而沿程摩对于一定的土层和管径，其迎面阻力为一定值，而沿程摩擦力则随着顶进长度的延长而增加。管壁周围与土体之间的擦力则随着顶进长度的延长而增加。管壁周围与土体之间的摩擦阻力在压力不变的情况下，摩擦系数是主要影响因素。摩擦阻力在压力不变的情况下，摩擦系数是主要影响因素。采用触变泥浆以后，管道周围的摩擦系数，与管道的覆土深采用触变泥浆以后，管道周围的摩擦系数，与管道的覆土深度无关，与
22、土层的物理力学性质关系也不大。度无关，与土层的物理力学性质关系也不大。管道摩阻力增管道摩阻力增大的主要原因是管道的弯曲。管道弯曲时，管壁局部对土体大的主要原因是管道的弯曲。管道弯曲时，管壁局部对土体产生附加压力，管壁与土体之间的触变泥浆被挤掉。产生附加压力，管壁与土体之间的触变泥浆被挤掉。 因此，局部摩阻力迅速增加。因此，局部摩阻力迅速增加。 要减小摩擦阻力是设法降低要减小摩擦阻力是设法降低摩擦系数值，即设法改变管壁与土体之间的界面性质。摩擦系数值，即设法改变管壁与土体之间的界面性质。目前目前主要采用将润滑介质灌于管壁周围的方法。主要采用将润滑介质灌于管壁周围的方法。 7.4.17.4.1泥浆
23、的组成泥浆的组成 顶管工程中主要采用的润滑介质是以膨胀土为主要材料的顶管工程中主要采用的润滑介质是以膨胀土为主要材料的泥浆，称为触变泥浆。泥浆，称为触变泥浆。 其成分为：膨润土、水其成分为：膨润土、水 、外掺加剂、外掺加剂 。 （1 1）对于触变泥浆使用的对于触变泥浆使用的膨润土膨润土的要求有两点：的要求有两点： 1 1）膨润倍数值一般要大于）膨润倍数值一般要大于6 6； 2 2）要有稳定的胶质价，保证泥浆有一定的稠度，不致因重）要有稳定的胶质价，保证泥浆有一定的稠度，不致因重力作用而颗粒沉淀。力作用而颗粒沉淀。 （2 2）水）水 造浆用的水除对硬度有要求外，再无其他要求。造浆用的水除对硬度有
24、要求外，再无其他要求。 （3 3）外掺剂）外掺剂 主要有碳酸钠、羟甲基纤维素、腐殖酸盐、铁铬木质硫酸主要有碳酸钠、羟甲基纤维素、腐殖酸盐、铁铬木质硫酸盐等。使用时根据现场土的性质和泥浆性能指标要求，合理地盐等。使用时根据现场土的性质和泥浆性能指标要求，合理地加以试验调配加以试验调配 7.4.27.4.2泥浆的性能和配比泥浆的性能和配比 泥浆的性能泥浆的性能 重度。重度。泥浆中的膨润土用量大，泥浆的重度就大，相应泥浆中的膨润土用量大，泥浆的重度就大，相应就提高了泥浆的粘度和稳定性。重度越大，泥浆造价越高。同就提高了泥浆的粘度和稳定性。重度越大，泥浆造价越高。同时泵送压力也越高，耗能量增加，提高了
25、工程成本。一般情况时泵送压力也越高，耗能量增加，提高了工程成本。一般情况下，触变泥浆的重度采用下，触变泥浆的重度采用1.131.131.151.15之间。之间。 粘度粘度。粘度越大，泥浆流动的性能越差，泵送压力也越。粘度越大，泥浆流动的性能越差，泵送压力也越高。但粘度大的泥浆能较好地在土壁上形成薄膜，阻止泥浆向高。但粘度大的泥浆能较好地在土壁上形成薄膜，阻止泥浆向土层内渗透而流失。顶管使用的触变泥浆的粘度控制在土层内渗透而流失。顶管使用的触变泥浆的粘度控制在606080s80s内。内。 胶体率和稳定性。单位体积的泥浆经过一定时间后，土胶体率和稳定性。单位体积的泥浆经过一定时间后，土颗粒与水分离
26、的程度称为颗粒与水分离的程度称为胶体率胶体率，以，以%表示。表示。稳定性是稳定性是指经过指经过一段时间后，上部泥浆与下部泥浆的重度之差。合格的泥浆胶一段时间后，上部泥浆与下部泥浆的重度之差。合格的泥浆胶体率不应低于体率不应低于98%98%。 触变性与静切力。泥浆静止时虽呈凝胶状，但搅动后就触变性与静切力。泥浆静止时虽呈凝胶状，但搅动后就恢复其流动性。这种既能形成胶体又能回复其流动性的特点称恢复其流动性。这种既能形成胶体又能回复其流动性的特点称为为触变性触变性。使静止状态的泥浆开始流动所需要的最小的力称为。使静止状态的泥浆开始流动所需要的最小的力称为静切力静切力。静切力大大泥浆其触变性也大，因此
27、静切力是测定泥。静切力大大泥浆其触变性也大，因此静切力是测定泥浆触变性的主要指标。浆触变性的主要指标。 失水量和造壁能力。泥浆灌入管壁和土体的间隙时，泥失水量和造壁能力。泥浆灌入管壁和土体的间隙时，泥浆中的水分从土中渗走，这种现象称为浆中的水分从土中渗走，这种现象称为失水失水。失去的水量称为。失去的水量称为失水量失水量。泥浆失水后，膨润土颗粒粘附在土壁上形成一层泥浆。泥浆失水后，膨润土颗粒粘附在土壁上形成一层泥浆皮，泥浆的这种性能叫皮，泥浆的这种性能叫造壁能力造壁能力。泥浆失水量小，能在土壁上。泥浆失水量小，能在土壁上形成一层致密的泥皮，保护土壁和防止泥浆流失，说明泥浆造形成一层致密的泥皮，保
28、护土壁和防止泥浆流失，说明泥浆造壁能力强。壁能力强。 pHpH值。值。泥浆的泥浆的pHpH值一般控制在值一般控制在8 81010以内。以内。 7.4.37.4.3泥浆的输送和灌注泥浆的输送和灌注 泥浆拌制后，由泥浆泵输送。由于泥浆本身具有良好的润泥浆拌制后，由泥浆泵输送。由于泥浆本身具有良好的润滑作用，在压力管路输送过程中，沿程压力损失很小。滑作用，在压力管路输送过程中，沿程压力损失很小。 当泥浆输送距离在当泥浆输送距离在200m200m以内，泵压为以内，泵压为0.10.15N/mm0.10.15N/mm2 2；有地下水时，出口压力要大于地下水压力。压浆量一般控制在有地下水时，出口压力要大于地
29、下水压力。压浆量一般控制在理论压力量值的理论压力量值的1.51.5倍左右，在顶管壁后的泥浆厚度要保持倍左右，在顶管壁后的泥浆厚度要保持202030mm30mm。在长距离顶管施工中，触变泥浆容易流失。为。在长距离顶管施工中，触变泥浆容易流失。为了弥补第一次注浆不足并补充流失的泥浆量，在第一个注浆孔了弥补第一次注浆不足并补充流失的泥浆量，在第一个注浆孔后后151520m20m设第一个补浆孔，此后每距设第一个补浆孔，此后每距303040m40m设置补浆孔，设置补浆孔，以保证泥浆充满管壁周围。以保证泥浆充满管壁周围。 为了使泥浆能及时将管壁周围的孔隙注满，注浆速度与顶为了使泥浆能及时将管壁周围的孔隙注满，注浆速度与顶进速度相适应，随顶随注，避免由于未及时注浆，造成塌方，进速度相适应，随顶随注，避免由于未及时注浆，造成塌方，将注浆道路堵塞。注浆时应观察压力表变化，若发现压力突然将注浆道路堵塞。注浆时应观察压力表变化，若发现压力突然上升或下降，要沿管线检查原因。上升或下降，要沿管线检查原因。
